RU2738748C1

RU2738748C1 - Heat-pipe steam-turbine plant with conical furnace

Info

Publication number: RU2738748C1
Application number: RU2020117691A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-12-16

Abstract

FIELD: power machine building.

SUBSTANCE: proposed invention relates to power engineering and can be used for transformation of thermal energy into mechanical energy using effect of heat pipes. Technical result is achieved by the fact that heat-tube steam-turbine plant with conical furnace contains conical evaporation chamber located in one housing, located along steam flow direction, which walls from inside are covered with a grate made of strips of porous material, cylindrical working chamber, covered from inside with a layer of the above porous material, which is coated in its turn with protective cylinder, and a conical condensation chamber, walls of which from the inside are also coated with a grate made of strips of the porous material, wherein end faces of layer of porous material of working chamber are connected to grids of evaporation and condensation chambers, at inlet of working chamber there is a perforated separation shield made of hydrophilic material, which edges are connected to porous material layer, shaft is coaxial to housing, power turbines wheels are installed in working chamber, installed on shaft, ends of which at outlet of evaporation chamber are connected to impeller of impeller fan, at the outlet of the condensation chamber with a working member, wherein the outer surface of the conical evaporation chamber is coated with a conical furnace, connected at the base of the cone tangentially to the combustion chamber, equipped with a burner and connected tangentially to the blowing fan, and at the cone vertex the furnace is tangentially connected to the exhaust branch pipe.

EFFECT: improving reliability and efficiency of a heat-pipe steam-turbine plant with a conical furnace.

1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в механическую с использованием эффекта тепловых труб.The proposed invention relates to power engineering and can be used to transform thermal energy into mechanical energy using the effect of heat pipes.

Известен теплотрубный двигатель, содержащий помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, торцевая стенка которой изнутри покрыта полосами пористого материала, внутри которой располагается перфорированный сепарационный элемент (щит), конечный участок напорного трубопровода с форсункой, и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой адиабатно-изоэнтропную (рабочую) камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, насаженной на вал, проходящий по оси поперечного сечения корпуса двигателя, цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, питательный насос, ротор которого также насажен на вал, размещенный вместе с начальным участком напорного трубопровода снаружи корпуса двигателя, конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля испарительной камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой [Патент РФ № 2287709, МПК F01K 25/00, 2006].A heat-pipe engine is known, containing an evaporation chamber placed in one housing, covered from the inside with a wick, the end wall of which is covered from the inside with strips of porous material, inside which there is a perforated separation element (shield), the final section of the pressure pipeline with a nozzle, and in contact with a hot medium, an adiabatic-isentropic (working) chamber separated from it by a partition, filled with a wick, in which a housing is placed with a power turbine placed in it, mounted on a shaft passing along the axis of the cross-section of the engine housing, a cylindrical reservoir with perforated walls, a feed pump, the rotor of which is also mounted on a shaft, located together with the initial section of the pressure pipeline outside the engine housing, a condensation chamber, also covered from the inside with a wick, which is a continuation of the wick of the evaporation chamber, and in contact with a cold environment [RF Patent No. 2287709, IPC F01K 25/00, 2006] ...

Основными недостатками известного теплотрубного двигателя являются сложность и повышенный шумовой эффект конструкции, обусловленные размещением питательного насоса и начального участка напорного трубопровода снаружи корпуса, невозможность создания вращательного момента рабочему органу на продольной оси корпуса двигателя и низкая скорость конденсации пара рабочей жидкости в конденсационной камере, обусловленная образованием пленки конденсата на внутренней поверхности нижней торцевой стенки, создающей дополнительное термическое сопротивление, что снижает его надежность и эффективность.The main disadvantages of the known heat-pipe engine are the complexity and increased noise effect of the structure due to the placement of the feed pump and the initial section of the pressure pipeline outside the housing, the impossibility of creating a torque for the working element on the longitudinal axis of the engine housing and the low rate of condensation of the working fluid vapor in the condensation chamber due to the formation of a film condensate on the inner surface of the lower end wall, which creates additional thermal resistance, which reduces its reliability and efficiency.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплотрубный осевой двигатель, содержащий, помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, верхняя торцевая стенка которой покрыта полосами пористого материала, внутри которой располагается перфорированный сепарационный щит, конечный участок напорного трубопровода с форсункой и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой рабочую камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, рабочее колесо которой и ротор питательного насоса насажены на вал, цилиндрический резервуар, сообщающийся через перфорированные стенки с фитилем, конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой, причем внутри испарительной камеры помещен весь напорный трубопровод, внутри рабочей камеры по продольной оси корпуса двигателя сверху вниз на валу поочередно помещены питательный насос, соединенный с напорным трубопроводом, корпус которого находится в цилиндрическом резервуаре, днище которого примыкает к верхней стенке корпуса силовой турбины, а внутри конденсационной камеры по ее продольной оси и центру нижней торцевой стенки проходит вал, снабженный пропеллером и соединенный снаружи с рабочим органом [Патент РФ № 2366821, МПК F01K 25/00, F01K 17/06, 2009].Closer to the proposed invention is a heat-tube axial motor containing, placed in one housing, an evaporation chamber covered from the inside with a wick, the upper end wall of which is covered with strips of porous material, inside which there is a perforated separation shield, the final section of the pressure pipeline with a nozzle and in contact with a hot medium, a working chamber separated from it by a partition, filled with a wick, in which a housing is placed with a power turbine placed in it, the impeller of which and the rotor of the feed pump are mounted on a shaft, a cylindrical tank communicating through perforated walls with a wick, a condensation chamber, also from the inside covered with a wick, which is a continuation of the wick of the working chamber, and is in contact with the cold medium, and the entire pressure pipeline is placed inside the evaporation chamber, inside the working chamber along the longitudinal axis of the engine housing from top to bottom on the shaft, alternately placed th pump connected to the pressure pipeline, the body of which is located in a cylindrical tank, the bottom of which is adjacent to the upper wall of the power turbine body, and inside the condensation chamber along its longitudinal axis and the center of the lower end wall there is a shaft equipped with a propeller and connected outside with the working body [ RF patent No. 2366821, IPC F01K 25/00, F01K 17/06, 2009].

Недостатками известного осевого теплотрубного двигателя являются громоздкость и сложность конструкции, обусловленные наличием питательного насоса, напорного трубопровода с форсункой и резервуара начального участка, размещенных внутри тепловой трубы и прямая зависимость создаваемой мощности от характеристик наружного горячего источника, которые могут изменяться независимо от потребителя, что снижает его надежность и эффективность.The disadvantages of the known axial heat pipe engine are the cumbersomeness and complexity of the design due to the presence of a feed pump, a pressure pipeline with a nozzle and a reservoir of the initial section located inside the heat pipe and the direct dependence of the generated power on the characteristics of the external hot source, which can vary independently of the consumer, which reduces it reliability and efficiency.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности теплотрубной паротурбинной установки с конической топкой.The technical result, the solution of which is directed by the present invention, is to increase the reliability and efficiency of a heat-pipe steam turbine installation with a conical furnace.

Технический результат достигается тем, что теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой содержит помещенные в одном корпусе, расположенные по ходу движения пара, коническую испарительную камеру, стенки которой изнутри покрыты решеткой, выполненной из полос пористого материала, цилиндрическую рабочую камеру, покрытую изнутри слоем вышеупомянутого пористого материала, покрытого, в свою очередь, защитным цилиндром и коническую конденсационную камеру, стенки которой изнутри также покрыты решеткой, выполненной из полос пористого материала, при этом торцы слоя пористого материала рабочей камеры соединены с решетками испарительной и конденсационной камер, на входе в рабочую камеру размещен перфорированный сепарационный щит, выполненный из гидрофильного материала, кромки которого соединены со слоем пористого материала, коаксиально корпусу расположен вал, пропущенный через отверстия в вершинах конусов испарительной и конденсационной камер и через сепарационный щит, в рабочей камере размещены колеса силовых турбин, насаженные на вал, торцы которого на выходе из испарительной камеры соединены с рабочим колесом дутьевого вентилятора, на выходе из конденсационной камеры с рабочим органом, причем наружная поверхность конической испарительной камеры покрыта конической топкой, соединенной у основания конуса тангенциально с камерой сгорания, снабженной горелкой и соединенной тангенциально с дутьевым вентилятором, а у вершины конуса топка соединена тангенциально с выхлопным патрубком. The technical result is achieved by the fact that a heat-pipe steam turbine unit with a conical furnace contains a conical evaporation chamber placed in one housing, located in the direction of steam movement, the walls of which are covered from the inside with a lattice made of strips of porous material, a cylindrical working chamber covered from the inside with a layer of the above-mentioned porous material , covered, in turn, with a protective cylinder and a conical condensation chamber, the walls of which are also covered from the inside with a grid made of strips of porous material, while the ends of the layer of porous material of the working chamber are connected to the grids of the evaporation and condensation chambers, at the entrance to the working chamber there is a perforated a separation shield made of a hydrophilic material, the edges of which are connected to a layer of porous material, a shaft is located coaxially to the body, passed through the holes in the tops of the cones of the evaporation and condensation chambers and through the separation shield, in the working chamber there are power turbine wheels mounted on a shaft, the ends of which at the outlet from the evaporation chamber are connected to the impeller of the blowing fan, at the outlet from the condensation chamber with the working body, and the outer surface of the conical evaporation chamber is covered with a conical furnace connected at the base of the cone tangentially with the combustion chamber equipped with a burner and tangentially connected to the blower fan, and at the top of the cone, the furnace is tangentially connected to the exhaust pipe.

В основе работы предлагаемого теплотрубной паротурбинной установки с конической топкой ТТПТУ лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.117] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [4. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [. В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высш. школа, 1988, с.106]. The operation of the proposed heat-pipe steam turbine plant with a conical furnace TTPTU is based on the main cycle of the steam power plant - the Rankine cycle [IN Sushkin. Heat engineering. - M .: metallurgy, 1973, p.117] and high efficiency of heat transfer in heat pipes, due to high values of the heat transfer coefficient in the processes of evaporation and condensation [4. A.N.Planovsky, P.I. Nikolaev. Processes and devices of chemical and petrochemical technology. - M .: Chemistry, 1987, p. 146], which are divided into three sections: the evaporation zone (heat supply), the adiabatic zone (heat transfer) and the condensation zone (heat removal), covered from the inside with a wick and partially filled with a working fluid - a heat carrier, which is used as water, alcohols, freons, liquid metals, etc. [. V.V. Kharitonov and others. Secondary heat and power resources and environmental protection. Minsk, Higher school, 1988, p. 106].

На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2–5 - поперечные разрезы теплотрубной паротурбинной установки с конической топкой (ТТПТУ).Figure 1 shows a general view, figure 2-5 - cross-sections of a heat-pipe steam turbine plant with a conical furnace (TTPTU).

Предлагаемая теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой (ТТПТУ) содержит, помещенные в одном корпусе 1, расположенные по ходу движения пара, коническую испарительную камеру 2, стенки которой изнутри покрыты решеткой 3, выполненной из полос пористого материала (фитиля) 4, цилиндрическую рабочую камеру 5, покрытую изнутри слоем пористого материала 4, покрытого, в свою очередь, защитным цилиндром 6 и коническую конденсационную камеру 7, стенки которой изнутри также покрыты решеткой 3, выполненной из полос пористого материала 4, причем торцы слоя пористого материала 4 рабочей камеры 5 соединены с решетками 3 испарительной и конденсационной камер 2 и 7, на входе в рабочую камеру 5 размещен перфорированный сепарационный щит 8, выполненный из гидрофильного материала, кромки которого соединены со слоем пористого материала 4, коаксиально корпусу 1 расположен вал 9, пропущенный через отверстия 10 и 11 в вершинах конусов испарительной и конденсационной камер 2 и 7 и через сепарационный щит 8, в рабочей камере 5 размещены колеса силовых турбин 12, насаженные на вал 9, торцы которого на выходе из испарительной камеры 2 соединены с рабочим колесом дутьевого вентилятора 13, на выходе из конденсационной камеры 7 с рабочим органом (на фиг. 1–5 не показан), соответственно, причем наружная поверхность конической испарительной камеры 2 покрыта конической топкой 14, соединенной у основания конуса тангенциально с камерой сгорания 15, снабженной горелкой 16 и соединенной тангенциально через патрубок 17 с дутьевым вентилятором 13, а у вершины конуса топка 14 соединена тангенциально с выхлопным патрубком 18. The proposed heat-pipe steam turbine plant with a conical furnace (TTPTU) contains, placed in one housing 1, located in the direction of steam movement, a conical evaporation chamber 2, the walls of which are covered from the inside with a grate 3 made of strips of porous material (wick) 4, a cylindrical working chamber 5 covered from the inside with a layer of porous material 4, covered, in turn, with a protective cylinder 6 and a conical condensation chamber 7, the walls of which are also covered from the inside with a grid 3 made of strips of porous material 4, and the ends of the layer of porous material 4 of the working chamber 5 are connected to the grids 3 of the evaporation and condensation chambers 2 and 7, at the entrance to the working chamber 5 there is a perforated separation shield 8 made of hydrophilic material, the edges of which are connected to a layer of porous material 4, a shaft 9 is located coaxially to the body 1, passed through holes 10 and 11 at the tops cones of the evaporation and condensation chambers 2 and 7 and through the separation shield 8, in the working chamber 5 there are wheels of power turbines 12, mounted on a shaft 9, the ends of which at the exit from the evaporation chamber 2 are connected to the impeller of the blower 13, at the exit from the condensation chamber 7 with the working body (in Fig. 1-5 not shown), respectively, and the outer surface of the conical evaporation chamber 2 is covered with a conical furnace 14, connected at the base of the cone tangentially with the combustion chamber 15, equipped with a burner 16 and connected tangentially through a branch pipe 17 with a blower 13, and at the top of the cone the furnace 14 is connected tangentially to the exhaust pipe 18.

Предлагаемая ТТПТУ работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы из полости корпуса 1 ТТПТУ удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1– 5 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор пористого материала (фитиля) 4, после чего корпус 1 устанавливают таким образом, чтобы коническая конденсационная камера 7 контактировала с холодной средой (например, забортной водой) и осуществляют запуск работы камеры сгорания 15 (при пуске подача воздуха в камеру сгорания 15 происходит за счет его эжектирования) и топки 14, в результате чего коническая испарительная камера начинает контактировать с горячей средой. При этом, коническая форма топки 14 и тангенциальный ввод в нее камеры сгорания 15, наряду с конической формой испарительной камеры 2 обеспечивают равномерный нагрев камеры 2, а покрытие ее внутренней поверхности решеткой 3, соединенной со слоем пористого материала 4– бесперебойную подачу конденсата в зону испарения в канавки между полосами пористого материала 4, которые также предотвращают образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и, таким образом, интенсифицируют процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сб. научн. тр. М., 1990, с.22]. В результате нагрева испарительной камеры 2 образуется пар, в ее полости создается давление, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный щит 8, выполненный из гидрофильного материала, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые всасываются поверхностью пористого материла 4 и транспортируются им обратно в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 5, вращает колеса турбин 12 совместно с валом 9, который сообщает вращательное движение рабочему колесу дутьевого вентилятора 13 и вращающий момент М на рабочем конце вала 9 (например винту судна), в результате чего на выходе из рабочей камеры 5 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижение его температуры и давления [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.331], после чего отработавший пар поступает в коническую конденсационную камеру 19, где он конденсируется за счет контакта наружной поверхности нижней торцевой стенки 4 с холодной средой. При этом, за счет конусной формы конденсационной камеры 7, значительно увеличивается площадь теплообмена, а за счет вращения рабочего органа (например винта судна), закручивающего поток охлаждающей среды (например забортной воды) на наружную поверхность камеры 7 и закрученного потока пара после рабочей камеры 5, поступающего на внутреннюю поверхность нижней торцевой стенки 4, во вращающемся потоке пара возникает центробежная сила, которая срывает образовавшийся конденсат с внутренней поверхности камеры 7, препятствуя образованию там жидкостной пленки, и отбрасывает его на решетку 3, в результате чего происходит значительное увеличение скорости теплопередачи между паром и холодной средой и, соответственно, многократное увеличение скорости конденсации. Образовавшийся конденсат всасывается слоем пористого материала 4, откуда под воздействием капиллярных сил адиабатно [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высш. школа, 1988, с.106] транспортируется в решетку 3 конической испарительной камеры 2, где происходит процесс испарения рабочей жидкости и вышеописанный цикл повторяется. The proposed TTPTU works as follows. Previously, before starting work, air is removed from the cavity of the TPPTU body 1 and a working fluid is pumped in, which is selected depending on the temperature potential of cold and hot media (nozzles for removing air and supplying a working fluid are not shown in Figs. 1-5) in an amount sufficient to fill the pore volume of the porous material (wick) 4, after which the housing 1 is installed in such a way that the conical condensation chamber 7 is in contact with the cold medium (for example, seawater) and the combustion chamber 15 is started (at start-up, air is supplied to the combustion chamber 15 occurs due to its ejection) and furnace 14, as a result of which the conical evaporation chamber begins to contact with the hot medium. At the same time, the conical shape of the furnace 14 and the tangential entry into it of the combustion chamber 15, along with the conical shape of the evaporation chamber 2, provide uniform heating of the chamber 2, and the covering of its inner surface with a grate 3 connected to a layer of porous material 4 - uninterrupted supply of condensate to the evaporation zone into the grooves between the strips of porous material 4, which also prevent the formation of a vapor film on the inner surface of the end and, thus, intensify the evaporation process [Heat pipes and heat exchangers: from science to practice. Sat. scientific. tr. M., 1990, p. 22]. As a result of heating the evaporation chamber 2, steam is formed, pressure is created in its cavity, the resulting steam, passing through the perforated separation shield 8, made of hydrophilic material, is freed from entrained droplets of the working fluid, which are absorbed by the surface of the porous material 4 and transported back to the evaporation zone ... The cleaned steam enters the working chamber 5, rotates the wheels of the turbines 12 together with the shaft 9, which imparts the rotational motion to the impeller of the blowing fan 13 and the torque M at the working end of the shaft 9 (for example, the propeller of the ship), as a result of which at the exit from the working chamber 5 there is an isentropic heat fall of steam with a simultaneous decrease in its temperature and pressure [IN Sushkin. Heat engineering. - M .: metallurgy, 1973, p.331], after which the spent steam enters the conical condensation chamber 19, where it condenses due to the contact of the outer surface of the lower end wall 4 with a cold medium. At the same time, due to the conical shape of the condensation chamber 7, the heat exchange area significantly increases, and due to the rotation of the working body (for example, a ship's screw), swirling the flow of the cooling medium (for example, sea water) to the outer surface of the chamber 7 and the swirling steam flow after the working chamber 5 entering the inner surface of the lower end wall 4, a centrifugal force arises in the rotating steam flow, which tears off the formed condensate from the inner surface of the chamber 7, preventing the formation of a liquid film there, and throws it onto the grate 3, resulting in a significant increase in the rate of heat transfer between steam and cold environment and, accordingly, a multiple increase in the rate of condensation. The resulting condensate is sucked in by a layer of porous material 4, from where, under the influence of capillary forces, adiabatically [V.V. Kharitonov et al. Secondary heat and power resources and environmental protection. Minsk, Higher school, 1988, p.106] is transported into the lattice 3 of the conical evaporation chamber 2, where the process of evaporation of the working fluid takes place and the above cycle is repeated.

Для снижения шумового эффекта работы дутьевого вентилятора 13 его можно закрыть звукоизолирующим корпусом (на фиг 1–5 не показан).To reduce the noise effect of the operation of the blower fan 13, it can be closed with a soundproof housing (not shown in FIGS. 1-5).

Таким образом, предлагаемая теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой обеспечивает надежное и эффективное увеличение мощности установки за счет использования конструкции конической топки с тангенциальным вводом камеры сгорания, обеспечивающей вращательное движение топочных газов, конических камер испарения и конденсации и использования окружающей среды для охлаждения камеры конденсации в форме вращательного движения. Дополнительным положительным эффектом ТТПТУ является снижение шума работы турбин, обусловленное изоляцией рабочей камеры слоем пористого материала.Thus, the proposed heat-pipe steam turbine plant with a conical furnace provides a reliable and effective increase in the power of the installation due to the use of a conical furnace design with a tangential entry of the combustion chamber, which ensures the rotational movement of flue gases, conical evaporation and condensation chambers and the use of the environment for cooling the condensation chamber in the form rotational motion. An additional positive effect of the TTPTU is the reduction of the turbine operating noise due to the isolation of the working chamber with a layer of porous material.

Claims

A heat-tube steam turbine plant with a conical furnace, containing evaporating, cylindrical working and condensation chambers placed in one housing, located in the direction of steam movement, the inner walls of the evaporation and condensation chambers are covered with a grid made of strips of porous material, the inner walls of the working chamber are covered with a layer of the above-mentioned porous material , the ends of which are connected to the grids of the evaporation and condensation chambers, a perforated separation shield is located at the entrance to the working chamber, a working shaft is arranged coaxially to the working chamber, equipped with a power turbine in the working chamber, and at the exit from the condensation chamber - a working body, characterized in that the evaporating and the condensation chambers have a conical shape, the perforated separation shield is made of a hydrophilic material, its edges are connected to a layer of porous material, the shaft is passed through the holes in the tops of the cones of the evaporation and condensation chambers and the separation nnogo shield, the outer surface of the conical evaporation chamber is covered with a conical furnace connected at the base of the cone tangentially with the combustion chamber, equipped with a burner and connected tangentially with the blower fan, and at the top of the cone, the furnace is connected tangentially with the exhaust pipe.